第七章气体分离膜技术
气体膜分离技术
气体膜分离技术面临着来自其他分离技术的竞争压力，如蒸馏、吸附、吸收等。为了在市 场上获得竞争优势，需要不断提高技术的性能和降低成本。
技术创新
通过技术创新不断改进气体膜分离技术的性能和降低成本是市场成功的关键。这包括研发 新型膜材料、优化膜组件的设计和操作参数，以及开发新的应用领域。
未来发展方向与趋势
新型膜材料的研发
随着材料科学的不断发展，未来 将有更多新型的膜材料涌现，为 气体膜分离技术的发展提供新的
可能性。
集成化与智能化
未来气体膜分离技术将朝着集成 化和智能化的方向发展，实现多 级分离、能量回收和自动控制等
功能。
应用领域的拓展
随着气体膜分离技术的不断改进 和成本的降低，其应用领域将进 一步拓展，包括氢气、二氧化碳 等特殊气体的分离，以及生物医
气体膜分离技术
• 气体膜分离技术概述 • 气体膜分离技术的基本原理 • 气体膜分离技术的主要工艺流程
• 气体膜分离技术的实际应用案例 • 气体膜分离技术的挑战与前景
01
气体膜分离技术概述
定义与原理
定义
气体膜分离技术是一种基于气体在压 力驱动下通过高分子膜的选择性渗透 进行混合气体分离的先进技术。
原理
利用不同气体在膜中溶解和扩散速率 的不同实现选择性分离。在压力差的 作用下，渗透速率较快的组分优先透 过膜，从而达到分离目的。
分类与特点
分类
根据膜材料和分离机理，气体膜分离 技术可分为有机膜分离和无机膜分离 两类。
特点
操作简单、能耗低、无相变、无污染、 分离效率高、可实现大规模连续生产 等。
应用领域
工业气体分离
用于从混合气体中分离出氢气 、氮气、氧气等高纯度气体， 广泛应用于石油、化工、冶金
气体分离膜技术手册
气体分离膜技术手册气体分离膜技术手册1、引言1.1 背景1.2 目的1.3 适用范围2、气体分离膜技术概述2.1 气体分离膜原理2.2 分离膜的分类2.3 气体分离膜的优势2.4 气体分离膜的应用领域3、气体分离膜材料3.1 聚合物膜3.2 陶瓷膜3.3 碳基膜3.4 声波膜3.5 混合膜4、气体分离膜的性能评估4.1 通透性4.2 选择性4.3 稳定性4.4 实际运行性能5、气体分离膜模块5.1 膜模块的结构5.2 膜模块的选型5.3 膜模块的维护与管理6、气体分离膜系统设计与优化 6.1 系统设计原则6.2 膜元件布置6.3 气体进出口管道设计6.4 辅助设备选择7、气体分离膜的实践应用案例 7.1 氢气分离7.2 二氧化碳分离7.3 甲烷气分离7.4 氧气浓缩8、安全与环境考虑8.1 气体泄漏处理8.2 废气处理8.3 确保操作人员的安全9、附录9.1 相关表格9.2 相关图表9.3 参考文献本文档涉及附件：附件1、分离膜材料性能对比表附件2、气体分离膜系统设计流程图附件3、气体分离膜实践应用案例数据本文所涉及的法律名词及注释：1：常规法律名词及解释- 气体分离膜：通过分子尺度的选择通透性，将混合气体分离的一种薄膜类技术。
- 通透性：膜材料对特定气体的透过率与压力差的比值。
- 选择性：膜材料对混合气体中不同组分的分离程度。
- 系统设计原则：在满足气体分离要求的前提下，合理选择膜材料和系统配置。
2：相关法律名词及解释- 环境保护法：保护环境、预防和控制污染，维护生态安全，保障人民健康的法律。
- 安全生产法：保障企事业单位安全生产、防止和减少事故、减轻事故灾害损失的法律。
第七章-膜分离技术
二、超滤的浓差极化 溶质会在膜表面积聚
超滤分离原理示意图
并形成从膜面到主体溶液之间的浓度梯度。
减轻浓差极化的措施： ① 错流设计，以利清除极化层； ② 流体流速提高，增加流体的湍动程度； ③ 采用脉冲以及机械刮除法维持膜表面的清洁。 三、超滤膜 常用的膜材料有醋酸纤维、聚砜、聚丙烯睛、聚酰胺、
四、微滤的应用
｛ 1.微滤膜的特点
⑴孔径的均一性 ⑵空隙率高
⑶材薄
｛ ｛｛ 2.微滤的应用
⑴实验室中的应用 ⑵工业上的应用
微生物检测 微粒子检测
制药工业 电子工业
其他领域
二、电渗析的流程 各种电渗析器的组合方式示意图
直流式电渗析除盐流程
循环式电渗析除盐流程
部分循环式电渗析除盐流程
三、电渗析技术的应用 （１）咸水脱盐制淡水
电渗析脱盐生产淡水的工艺流程 1-渗析槽；2-冷凝器；3-浓缩罐；4-结晶罐；5-涡轮机；6-锅炉；7-浓液槽
（2）重金属污水处理
电渗析处理电镀含镍污水工艺流程
极化的危害： ① Ca2+、Mg2+等离子时将形成沉淀； ②膜电阻增大，降低分离效率。
4．离子交换膜 可分为三类： （1）均相离子交换膜； （2）非均相离子交换膜 ； （3）半均相离子交换膜。 对离子交换膜的要求是： ① 有良好的选择透过性； ② 膜电阻应低，膜电阻应小于溶液电阻； ③ 有良好的化学稳定性和机械强度；有适当的孔隙度。
②对溶剂渗透通量的增加提出了限制； ③膜表面上形成沉淀，会堵塞膜孔； ④会导致膜分离性能的改变； ⑤出现膜污染。
各种组件的比较
三、反渗透组件及其技术特征
第七章膜分离技术2
7.7 气体膜分离 （Gas Membrane Separation）
气体分离膜的分离机理
对混合气体通过多孔膜的分离过程，为了获 得良好的分离效果，应该尽可能满足下列条件：
①多孔膜的微孔直径必须小于混合气体中各组分的平均分 子自由程；
②混合气体的温度应足够高，压力尽可能低（气体尽可能 以钮特逊扩散通过分离膜）。
10
图为膜法制备城市煤气的工艺流程图。液化石油气或石脑油在热交换器中加 热到 300~400℃,通入脱硫塔 ,在镍 -钼催化剂的作用下 ,含硫化合物反应生成 H2S,用 ZnO吸附 H2O。脱硫后的气体在管道内与水蒸气混合,在加热炉中加热到550℃,进 入甲烷转化器合成甲烷。合成天然气经热交换器降温到 40~50℃进入一级膜分离 器 ,渗余气富含甲烷 , 输入城市煤气管道 ,透过气中含有少量甲烷 , 经压缩机加压进 入二级膜分离器,透过气可作为加热炉或蒸汽锅炉的燃料,剩余气体回流,重新输入 一级膜分离器。
② 表面活性剂
乳化型液膜的主要成分之一 , 它可以控制液膜的稳定 性。根据不同体系的要求 , 可以选择适当的表面活性剂作 成油 Membrane Separation）
液膜的组成
③ 流动载体
○载体及其溶质形成的配合物必须溶于膜相，而不溶于 膜的内外相，且不产生沉淀。 ○载体与欲分离的溶质形成的配合物要有适当的稳定性， 在膜的外侧生成的配合物能在膜中扩散，而到膜的内侧 要能解络。 ○载体不应与膜相的表面活性剂反应，以免降低膜的稳 定性。
2
7.7 气体膜分离 （Gas Membrane Separation）
气体分离膜的分离机理
（2）多孔膜的透过扩散机理
用多孔膜分离混合气体，是借助于各种气体 流过膜中细孔时产生的速度差来进行的。
气体膜分离技术
• 毛细管凝聚对蒸气混合物的分离效果尤其显著
气体膜分离过程的关键是膜材料，目前用于气体分离的膜种类繁多, 根据结构的差异将其分为2类:多
孔膜和高分子致密膜(也称非多孔膜)，它们可由无机膜材料和高分子膜材料组成。膜材料的类型与结构
对气体渗透有着显著影响。例如,氧在硅橡胶中的渗透要比在玻璃态的聚丙烯腈中的渗透大几百万倍。气 体分离用膜材料的选择需要同时兼顾其渗透性与选择性。
高等分离工程
气体膜分离
膜生物反应器
气体膜分离
1 2 3 4
简介 膜材料
原理
设备
应用
5
简介
气体膜分离技术是利用原料混合气中不同气体对膜材料具有不同渗透 率, 以膜两侧气体的压力差为推动力, 在渗透侧得到渗透率大的气体富 集的物料, 在未渗透侧得到不易渗透气体富集的分离气, 从而达到气体 分离目的。
③高分子-无机复合或杂化材料
采用高分子-陶瓷复合膜,以耐高温高分子材料为分离层,陶瓷膜为支撑层,既发挥了高分子膜高选择性的优势,
又解决了支撑层膜材料耐高温、抗腐蚀的问题,为实现高温、腐蚀环境下的气体分离提供了可能性。 。
根据气体通过膜的分离机理不同其原理主要有以下两种：
溶解扩散机理： 吸 着
扩散
一般来说, 所有的高分子膜对一切气体都是可渗透的, 只不过不同气体渗透速度各不相同.人们正是借助它们之间 在渗透速率上的差异, 来实现对某种气体的浓缩和富集。
通常人们把渗透较快的气体叫“快气”, 因为它是优先透过膜并得到富集的渗透气, 而把渗透较慢的气体叫“慢
气”, 因为较多地滞留在原料气侧而成为渗余气。“快气” 和“慢气” 不是绝对的, 而是针对不同的气体组成 而言的, 如对O2和H2体系来说, H2是“快气”,O2是“慢气”;而对O2和N2体系来说,O2则变为“快气”,因为O2比N2 透过得快.因此, 这主要由其所在体系中的相对渗透速率来决定。
第七章 膜分离技术
3、根据化学特性（膜材料）分类
• 2）合成高分子材料
• 种类：聚砜、 PVDF（聚偏氟乙烯）、聚酰胺、聚酰亚胺、 聚丙烯腈、聚烯类和含氟聚合物，其中，聚砜最常用，用 于制造超滤膜。 • 优点：耐高温(70-80C，可达125C)，pH1-13，耐氯能力 强，可调节的孔径宽(1-20nm)；聚酰胺膜的耐压较高，对 温度和pH、盐稳定性高，寿命长，常用于反渗透。 • 缺点：聚砜的耐压差，压力极限在0.5-1.0MPa。
要求更高时：先将其放在50％的乙醇溶液中用水浴煮1h，再依次 换50％的乙醇溶液、10mmol/L NaHCO3溶液、1mol/L EDTA溶液、 蒸馏水各泡洗两次，最后在4℃的蒸馏水中保存备用
用过的透析袋要是短期还要用的话，最好冲洗干净后，浸于 20％乙醇中低温存放 主要用途：蛋白样品的脱盐
2）以净压力为推动力的膜分离
3、根据化学特性（膜材料）分类
• 3）无机材料
• 种类：陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。目前实用化有 孔径>0.1um微滤膜和截留>10kDa的超滤膜，其中以陶瓷 材料的微滤膜最常用。多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、 氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成，膜厚方向上不对称 • 优点：机械强度高、耐高温、耐化学试剂和有机溶剂。
• 6）低成本
3、根据化学特性（膜材料）分类
• 1）天然高分子材料
• 种类：纤维素衍生物，如醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤维 • 优点：醋酸纤维的阻盐能力最强，常用于反渗透膜，也可 作超滤膜和微滤膜；再生纤维素可用于制造透析膜和微滤 膜。 • 缺点：醋酸纤维膜最高使用温度和pH范围有限，在4550C，pH3-8。
透析
反渗透 (reverse osmosis, RO) 纳滤 (Nanofiltration, NF) 超滤 (ultra-filtration, UF) 微滤 (micro-filtration, MF) 透析 (Dialysis, DS)
气体膜分离技术及其发展应用
气体膜分离技术及其发展应用气体膜分离技术是一种利用气体分子在多孔膜中传递过程的物理和化学效应进行物质分离的技术。
通过气体在膜材料中的传递过程，不同大小、不同形状、不同性质的气体分子被分离出来，实现了气体纯化、浓缩、脱水和回收等目的。
由于其具有高效、节能、环保等优点，在许多领域的应用中得到了广泛关注。
1.气体分离与纯化：气体膜分离技术可以将混合气体中的组分分离出来，实现气体的纯化。
常见的应用包括空气中的氧气和氮气的分离、天然气中的甲烷和乙烷的分离等。
2.气体浓缩：气体膜分离技术可以将稀薄气体中的目标气体浓缩起来。
例如，将大气中的二氧化碳浓缩并用于工业化学反应、碳酸饮料制造等。
3.气体脱水：气体膜分离技术可以通过控制膜材料的选择和操作条件来去除气体中的水分。
这在天然气处理和乙醇生产等领域中具有重要的应用价值。
4.气体回收：气体膜分离技术可以将废气中的有用气体回收利用。
例如，在石油化工行业中，可以通过膜分离技术将废气中的有机溶剂进行回收利用。
1.早期阶段：20世纪50年代至70年代是气体膜分离技术的早期发展阶段。
在这个阶段，主要关注的是膜材料的选择和制备方法，以及对膜分离过程的理论研究。
2.中期阶段：到了20世纪80年代，气体膜分离技术开始逐渐应用于工业实践。
膜的制备方法和分离设备得到了改进，并且开始有了商业化的应用。
3.现代阶段：进入21世纪以后，气体膜分离技术的研究重点逐渐从传统膜材料向新型材料的研发转变。
例如，有机-无机杂化材料、金属有机框架材料等。
4.未来发展：随着能源和环境问题的日益突出，气体膜分离技术在能源和环保领域中的应用前景广阔。
未来发展的重点将在提高气体分离效率、降低成本、减少能耗等方面进行研究。
总之，气体膜分离技术具有广泛的应用前景。
随着新型材料和技术的不断发展，气体膜分离技术将在能源、化工、环保等领域中发挥更加重要的作用，为人类的可持续发展做出贡献。
第七章 气体分离膜及液膜
1. 气体分离膜的分离机理 气体分离膜有两种类型：非多孔均质膜和多孔
膜。它们的分离机理各不相同。 （1）非多孔均质膜的溶解扩散机理
该理论认为，气体选择性透过非多孔均质膜分 四步进行：气体与膜接触，分子溶解在膜中，溶解 的分子由于浓度梯度进行活性扩散，分子在膜的另 一侧逸出。
1
5
气体分离膜
按气体方程可导出气体透过多孔性分离膜的分
离效率为：
M2
M1
（7-1）
此式说明，被分离物质的分子量相差越大，分 离选择性越好。
多孔膜对混合气体的分离主要决定于膜的结 构，而与膜材料性质无关。
6
气体分离膜
2. 制备气体分离膜的材料 （1）影响气体分离膜性能的因素
1）化学结构的影响 通过对不同化学结构聚合物所制备的气体分离 膜的气体透过率P、扩散系数D和溶解系数S的考 察，可得出化学结构对透气性影响的定性规律。从 表1可知，大的侧基有利于提高自由体积而使P增加。
2. 液膜的组成与类型 （1）液膜的组成
1）膜溶剂 膜溶剂是形成液膜的基体物质。选择膜溶剂主 要考虑膜的稳定性和对溶剂的溶解性。为了保持膜 的稳定性，就要求膜溶剂具有一定的粘度。膜溶剂 对溶质的溶解性则首先希望它对欲提取的溶质能优 先溶解，对其他欲除去溶质的溶解度尽可能小。当 然膜溶剂不能溶于欲被液膜分隔的溶液，并希望膜 溶剂与被其分隔的溶液有一定的相对密度差（一般 要求相差0.025 g/cm3）。
气体分离膜
（2）多孔膜的透过扩散机理 用多孔膜分离混合气体，是借助于各种气体流
过膜中细孔时产生的速度差来进行的。 流体的流动用努森（Knudsen）系数Kn表示时，
有三种情况：Kn≤1 属粘性流动；Kn≥1 属分子流 动；Kn ≌1 属中间流动。
气体膜分离技术简介ppt课件
膜分别器
中心部件
原料气进入膜分别器后，中空纤维膜对氢气有较高的选择性。中空纤
维膜内侧构成富氢区气流，而外侧构成了惰性气流。前者称为浸透气， 后者称尾气。浸透气经紧缩机重返合成系统，尾气供熄灭。
❖ 膜分别系统的中心部件是一构型类似于
管壳式换热器的膜分别器，膜分别器内的中 空纤维管是一种高分子聚合物,中空纤维管对 氢气有较高的选择性，靠中空纤维膜内、外 两侧分压差为推进力，经过浸透、溶解、分 散、解吸等步骤而实现分别。数万根细小的 中空纤维丝浇铸成管束而置于承压管壳内。 混合气体进入分别器后沿纤维的一侧轴向流 动，“快气〞不时透过膜壁而在纤维的另一 侧富集，经过浸透气出口排出，而滞留气那 么从与气体入口相对的另一端非浸透气出口 排出。
❖ 气体膜分别器的概念
❖ 普通来说，一切的高分子膜对一切气体都是可 以浸透的，只不过气体浸透速度各不一样，分别器 正是借助他们之间浸透速率上的差别，来实现对某 种气体的浓缩和富集。
❖ 通常人们把浸透较快的气体叫“快气〞，由于 它们优先透过并得到富集的浸透汽，而把浸透较慢 的气体叫“慢气〞，由于他较多的滞留在原料气侧 成为渗余气。“快气〞和“慢气〞不是绝对的，而 是针对不同的气体组成而言的，假设低氧气和氢气 来说，氢气是“快气〞，氧气是“慢气〞；而对氧 气和氮气体系来说，氧气变为“快气〞，由于氧气 比氮气透过得快。因此，这主要是由其体系中的相 对浸透速度来决议的。
议膜选择性的独一要素，决议膜选择性的另 一个要素是溶
❖ 解选择性，也就是说气体分子在膜内的溶解 和分散不只受瞬变的流动通道的制约，而且 遭到它们在无孔聚合物或在超微孔网状物中 的相关吸附性的影响。通常宝两种气体的相 关溶解度的大小用相应沸点来表示，例如， 氦气和氮气的沸点分别为4K和77K，这阐明 不容易浓缩，而且和氢气相比较，它在高聚 物和超微孔介质中的吸附也比较低。膜资料 和气体之间相互作用是很微妙的，而且在许 多情况下可以忽略不计，此外，当纯气体在 玻璃态聚合物中溶解时，将会呈现两种吸附 景象。
气体分离膜的研究
气体分离膜的研究气体分离膜是一种利用膜过滤技术实现气体分离的新型分离技术。
它采用特定的材料制成薄膜，通过膜的微孔作用，实现对某种气体分子的选择性透过和排除，从而实现气体的分离纯化。
气体分离膜是一种高效、节能、环保的气体分离技术，被广泛应用于石油、化工、电子、食品等领域。
一、气体分离膜的原理气体分离膜是利用”筛分作用“实现气体分离的。
所谓筛分作用，就是通过膜材料的微孔和孔径选择性地让某种分子在膜内透过，而不让其他分子透过，从而达到分离的目的。
在具体应用中，单位面积膜材料的透气量即气体分离的效率。
二、气体分离膜的种类气体分离膜主要分为两大类：1.多孔性平膜分离气体。
多孔性平膜的优点在于孔径比较大，并且分布比较均匀，适合于分离小分子气体。
缺点是需要膜面面积比较大，单膜分离效率不高。
2.非孔径性流动膜分离气体。
非孔径性流动膜的优点在于通透性好，透气量较大。
这种膜适合于分离大分子气体，但分离效率较低。
三、气体分离膜的制备方法气体分离膜的制备方法有两种：1.浸渍法。
这种方法比较常用，常用材料是聚酰胺、聚亚麻醇酯等。
这些材料可以通过浸渍到膜载体上制成膜。
2.拉伸法。
这种方法利用弹性膜材料，在拉伸时原本的孔隙会拉长变小，这样可以让大分子气体被过滤掉，从而实现分离。
四、气体分离膜的应用领域气体分离膜的应用非常广泛，主要包括以下几个领域：1.石油化工：气态分离、C2裂解、重烃分离等领域2.食品饮料：浓缩果汁、果汁的澄清等领域3.电子：纯化氨气、光学膜、液晶显示器等领域4.环保：二氧化碳的除去、废气治理等领域五、气体分离膜的发展趋势目前，气体分离膜的应用已经越来越广泛，而且分离效率也在不断提高。
未来，气体分离膜将会向以下几个方面发展：1.新材料的应用。
目前，常用的气体分离膜材料已经满足不了某些特定的需求。
因此，未来需要开发新的气体分离膜材料，例如金属有机框架材料、纳米材料等。
2.提高进料气体的纯度。
随着气体资源的日益紧缺和气体的需求日益增长，未来气体分离膜将会更注重进料气体的纯化和分离效率的提高。
第七章 气体膜分离
渗透率的物理意义是单位时间、单位膜面 积、单位推动力作用下所透过气体的量 单位为cm3（STP）/（cm2· s· cmHg），SI 制单位为m3（STP）/（m2· s· Pa） J 是气体性质、膜材料的性质及膜结构的函数
用下列公式计算
Q J A P
（7-22）
粘性流、Knudsen扩散及溶解扩散的渗透系数 JV J K J S 分别为Biblioteka 上游上游膜膜
下游 （1）
上游
下游 （2）
膜
下游 （3）
图7-2溶解-扩散机理
一般气体在聚合物中的溶解度小，膜表面溶解的气 体体积浓度 C （m3/m3）同气相主体压力 p 间服从 Henry定律：
C Sp
（7-11）
S 为溶解度系数（Pa-1）
气体分子在膜内的扩散服从Fick定律，对于稳定的 一维扩散，若扩散系数 D 、溶解度系数 S 不是浓 度或压力的函数，则通过膜的气体总体积流量 QS
扩散系数
聚合物 天然橡胶 聚丁二烯 丁苯橡胶 聚四氟乙烯 聚苯乙烯 聚氯乙烯 聚醋酸乙酯 N2 (298) O2 (298) H2 (298)
1.1 1.1 1.1 0.1 0.06 0.004 0.03
1.6 1.5 1.4 0.15 0.11 0.012 0.05
10.2 9.6 9.9 4.4 0.50 2.1
C HB bB PB S B PB 1 b A PA bB PB
(7-17) (7-18)
Gas Membrane Separation
1. History 2. Mechanism 3. Membrane Preparation 4. Membrane Characterization 5. Membrane module 6. Mathematic model for gas membrane separation 7. Applications
气体膜分离技术
D
binodal
C' B A cp
C''
spinodal
Loeb和Sourirajan提出的。非对 称膜成功研制是膜技术发展史上 一个里程碑，提高了人们对膜结 构认识，使膜技术研究开发跨入 了飞速发展新时代。
三元组分典型相图
平板膜制备
聚合物溶液
刮刀
无纺布
无纺布
后处理
凝胶浴
连续刮膜过程
中空纤维膜制备
用途举例 纯水制造，溶 液除菌 药品浓缩，废 水处理 盐（海）水脱 盐 人工肾
溶液脱盐，金 属离子回收 N2-H2,N2-O2, CH4-CO2 分离 无水酒精制造
膜过程的优点
膜过程的特点
膜过程的核心内容
通常是高效分离过程 常温操作 无化学变化 通常无相变化 连续操作 放大容易 易与其他分离过程衔接 缺点 浓差极化及膜污染 膜寿命有限 放大因子基本是线性的
膜形态例子
平板膜
中空纤维膜
膜断面非对称结构
未透过气体
原料气体 渗透气体
中空纤维膜分离器结构
Schematic diagram of skid-mounted membrane system for removal of C3+ from natural gas
分离膜制备及成膜机理
沉浸凝胶相转化法制膜
Asahi Chemical
Amicon Corp. Amicon Corp.、Koch Eng. Inc.
Nitto Denko
Alza Corp.
Alza Corp.、Ciba,SA
Permea(Dow) GFT GmbH
Permea/Air Prod.、Ube Ind. Hoechst/Celanese
气体分离膜技术
气体膜分离的最新进展和研究成果气体膜分离技术的发展前景：NO.1不断开发研制高效的气体分离膜材料研究发现，大多数聚合物都存在渗透性和选择性相反的关系。
聚合物的选择性加强，渗透量就减少，不足以维持大规模的生产需求。
因此，研究新的聚合物材料，打破渗透性和选择性的上限关系，已成为研究的重点。
NO.2积极开发膜组件组合及优化目前市场上的膜组件有空心纤维膜组件、卷绕式膜组件及垫套式膜组件等，各种膜组件的性能良好，但也都有缺点，如螺旋卷绕式膜组件的粘合技术较低、粘合宽度的减少等还必须不断的加以改进及优化，使得高科技产品和先进的生产工艺相结合，从而推动我国膜分离技术的发展。
NO.3发展集成分离技术任何一种分离技术都有其技术边界和经济边界，在某些特定的分离对象和工况条件下优势最为明显，膜分离技术也是同样。
采用膜分离技术与其它技术集成，实现最优的工艺组合和最低的经济投资是气体膜分离技术发展的方向，同时也扩大了气体膜分离技术应用的领域和适用范围，如采用固体脱硫和膜法脱水相结合，进行天然气外输前的净化处理。
另外，采用膜分离和冷凝法相结合，来净化和回收有机蒸汽中的卤代烃。
近年来,随着膜科学研究的不断发展,国内外采用膜法分离气体的研制工作已取得可喜成果。
但膜法在工业上的大规模推广的主要障碍,依然是现有气体膜的P与a还不够高。
单纯强化高分子膜的溶解和扩散过程以使膜的性能产生大的飞跃是困难的。
但许多学者已提出了一些改进膜过程的独特概念,并已取得了若干值得注意的结果。
下面简介几项研究实例和其他气体膜分离技术的新进展。
(一)促进输送膜分离:一种利用化学相互作用选择输送气体的膜已于新近出现,其学名称为促进输送（facilitated transport）膜,这是一种采用能与特定气体可逆反应(AB、A+B)的某种载体使其由膜的供给侧向透过侧扩散,从而达到让气体选择透过的目的。
例如美国的Standard Oil公司从事了借助Ag+与烯烃的络合反应使烯烃离开的研究和生产应用得到成功。
气体分离膜的工作原理及性能研究
气体分离膜的工作原理及性能研究气体分离膜是一种应用于气体分离和纯化的技术。
它通过选择性透过不同气体分子的特性，实现了气体混合物的分离。
在本文中，我们将对气体分离膜的工作原理进行深入探讨，并针对其性能进行相关研究。
1. 工作原理气体分离膜的工作原理基于气体分子在膜上的渗透和扩散过程。
这种膜通常由聚合物、无机材料或复合材料制成。
不同气体分子由于大小、形状和亲疏水性等因素的差异，将会在分离膜上呈现不同的透过速率。
当混合气体在高压驱动下通过气体分离膜时，气体分子将会通过膜的微孔或多孔结构进入膜的一侧，然后透过膜的结构，最终将分离为两个或多个组分。
透过速率较高的气体将快速透过膜，并在另一侧被收集，而透过速率较低的气体则会滞留在膜的一侧，实现了气体分离。
2. 膜的材料选择膜的材料选择对于气体分离膜的性能至关重要。
常见的膜材料包括聚合物膜、无机膜和复合膜。
聚合物膜具有良好的选择性和透过速率，且易于加工和制备。
例如，聚酯醚膜对二氧化碳具有较高的分离性能，而聚氨酯膜对甲烷具有较高的分离性能。
然而，聚合物膜的稳定性较差，容易受到温度和化学物质的影响。
无机膜由陶瓷、金属等材料制成，具有较好的稳定性和较高的选择性。
例如，氧化铝膜可用于分离氢气和氧气。
然而，无机膜的制备难度和成本较高，限制了其在工业上的应用。
复合膜由多个材料层叠而成，结合了不同材料的优势。
这种膜通常具有较高的选择性和透过速率，且具有良好的机械强度和稳定性。
例如，聚酰胺-硅氧烷复合膜可用于二氧化碳的捕获和储存。
3. 性能研究气体分离膜的性能评价通常包括两个主要指标：选择性和透过速率。
选择性指的是膜对特定气体分子的分离能力。
较高的选择性意味着膜对某一种气体的分离效果更好。
选择性通常通过气体分离系数来表示，即两种气体透过膜的速率比。
例如，氧气/氮气分离系数用于评价氧气分离膜的性能。
透过速率是指气体分子透过膜的速率。
透过速率越大，膜的分离效果越好。
透过速率通常通过渗透通量来表示，即单位面积上透过的气体量。
气体分离膜工作原理
气体分离膜工作原理气体分离膜是一种常用的分离技术，它利用薄膜材料的特殊性质，将气体混合物中的组分分离并纯化。
本文将介绍气体分离膜的工作原理，以及在工业和生活中的应用。
一、气体分离膜的工作原理气体分离膜是由具有特殊结构和性质的材料制成的。
这些材料一般被称为分离膜材料，可以是聚合物、陶瓷或金属。
在气体分离过程中，混合气体会通过膜材料，而不同成分的气体会以不同的速度通过膜材料，从而实现分离。
具体来说，气体分离膜的工作原理主要涉及两个传输过程：溶解和扩散。
首先，混合气体中的成分会溶解到膜的表面。
不同成分在膜表面的溶解度不同，从而导致浓度差异。
然后，气体成分会在膜材料中通过扩散作用，以不同速率向另一侧传递。
由于不同成分的扩散速率不同，最终达到分离的效果。
二、气体分离膜的应用气体分离膜技术广泛应用于工业和生活领域，下面将介绍其中几个主要应用。
1. 气体分离与纯化气体分离膜可以用于将混合气体中的特定成分分离和纯化。
例如，工业中常用的气体分离膜包括氧气浓缩膜、氮气浓缩膜和二氧化碳分离膜。
这些膜可以广泛应用于空分、气体净化和气体回收等领域，提高气体的纯度和回收率。
2. 膜制氢技术气体分离膜也被应用于膜制氢技术中。
这项技术可以通过分离氢气和其他气体来制备高纯度的氢气，用于燃料电池、化学加工和半导体制造等领域。
氢气分离膜需要具备高氢气通透性和选择性，以实现高效的氢气分离和纯化。
3. 气体分离与捕集气体分离膜还可用于气体分离与捕集，即将有害气体或有用气体从混合气体中分离出来。
例如，工业上利用气体分离膜来捕集二氧化碳，以减少碳排放并应对气候变化。
此外，气体分离膜也可用于分离和捕集甲烷、硫化氢等有害气体。
4. 膜反应器技术除了分离和纯化，气体分离膜还可用于膜反应器技术。
在这种应用中，气体分离膜被用作反应物与产物之间传质反应的介质。
这种技术在催化剂反应、氧化和还原反应中发挥着重要的作用，可以提高反应效率和选择性。
三、总结气体分离膜是一种重要的分离技术，在工业和生活中有着广泛的应用。
气体分离膜的分离机理-概述说明以及解释
气体分离膜的分离机理-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述气体分离膜是一种重要的分离技术，它通过特殊的膜材料和适当的分离条件，实现了对气体混合物中不同成分的有效分离。
在工业和生活的许多领域中，气体的分离和纯化是一项至关重要的任务。
传统的方法如吸附、吸收和蒸馏等虽然能够实现气体的分离，但这些方法通常存在能耗高、流程复杂和成本昂贵等问题。
相比而言，气体分离膜技术具有许多优势。
首先，它是一种低能耗的分离方式，不需要加热或冷却等额外能源消耗。
其次，气体分离膜具有结构简单、操作方便和占地面积小的特点，可以很好地适应各种应用场景。
此外，气体分离膜的分离效果高、选择性好，能够实现对不同气体分子大小、极性和溶解度等差异的有效分离。
气体分离膜的应用范围十分广泛，包括但不限于石油化工、气体纯化、空分、生物医药、环境保护等领域。
例如，在石油化工行业中，气体分离膜可以用于乙烯和丙烯的分离，提高乙烯的纯度和收率。
在环境保护方面，气体分离膜可以应用于二氧化碳捕获和回收，在减少二氧化碳排放的同时节约能源资源。
本文将重点讨论气体分离膜的分离机理。
通过对气体分离膜分子结构和分离机制的深入研究，可以更好地理解膜材料在气体分离过程中的作用方式和原理。
同时，对于分离机理的探索也有助于开发设计更高效、选择性更好的气体分离膜材料，并为未来的技术发展提供指导和借鉴。
综上所述，气体分离膜技术是一项具有重要意义和广阔应用前景的分离技术。
通过深入研究气体分离膜的分离机理，我们可以更好地理解其工作原理，为气体分离膜的设计和应用提供理论基础和技术支持。
在未来的发展中，我们可以通过进一步优化膜材料和改进分离工艺，实现更高效、节能环保的气体分离过程。
1.2文章结构文章结构是论文的框架，它描述了文章的主要部分和各个部分之间的逻辑关系。
本文分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分旨在为读者提供关于气体分离膜的背景信息和研究重要性的概述。
其中，第1.1小节概述将简要介绍气体分离膜以及其在工业和环境领域的应用。
《气体膜分离技术》课件
03
气体膜分离技术分类
根据驱动力的分类
压差驱动
利用不同气体在膜上的溶解-扩散 差异，在压力差的推动下实现混 合气体的分离。
浓度差驱动
利用不同气体在膜上的吸附-脱附 性能差异，在浓度差的推动下实 现混合气体的分离。
电场驱动
在电场的作用下，利用不同气体 在膜上的电离或吸附性能差异， 实现混合气体的分离。
01
03
气体膜分离技术的进一步发展需要加强基础研究，提 高膜材料的性能和可靠性，同时加强与其他领域的交
叉合作，拓展应用领域和市场空间。
04
气体膜分离技术与其他分离技术的结合将为工业气体 分离和净化提供更多元化的解决方案，以满足不同工 艺流程的需求。
THANKS感谢观看应用领域工业气体分离
用于分离空气、氮气、氧气等工业气体，提 高产品质量和纯度。
氢气回收与纯化
用于从各种原料气体中回收和纯化氢气，满 足氢能产业的需求。
有机蒸气回收
用于从有机废气中回收有价值组分，实现资 源化利用和环保减排。
天然气处理
用于脱除天然气中的二氧化碳、硫化物等杂 质，提高天然气的品质。
发展历程与趋势
根据膜材料的分类
01
02
03
高分子膜
利用高分子材料的透过性 和选择性，制备成气体分 离膜。
无机膜
利用无机材料的稳定性、 耐高温性和高透过性，制 备成气体分离膜。
复合膜
将高分子材料和无机材料 复合，制备成具有优异性 能的气体分离膜。
根据应用领域的分类
工业气体分离
用于工业生产过程中产生 的各种气体混合物的分离 ，如氢气、氮气、氧气等 。
拓展气体膜分离技术在氢气、二氧化碳、 甲烷等气体分离领域的应用，推动其在环 保、能源和化工等领域的发展。
气体膜分离
气体膜分离概述气体膜分离是一种常用的分离技术，用于分离混合气体中的不同组分。
该技术基于气体分子在薄膜上的渗透性差异来实现分离。
气体膜分离广泛应用于气体纯化、气体分离、气体浓缩等领域，具有高效、低成本、易操作等优点。
原理气体膜分离的原理是基于不同气体分子在膜材料上的渗透性差异。
膜材料常用的有聚合物膜、无机材料膜等。
当混合气体与膜接触时，其中的不同组分气体会因为渗透速率的不同而在膜的两侧产生浓度差。
这样，通过调整操作条件，如压力、温度等，就可以实现对不同组分气体的分离。
膜材料聚合物膜聚合物膜是气体膜分离中常用的一种膜材料。
聚合物膜可以通过改变聚合物的化学结构和物理性质来实现对不同气体的选择性吸附和渗透。
常用的聚合物膜材料包括聚丙烯、聚氨酯、聚醚酯等。
这些材料具有良好的膜形态稳定性和气体分离性能。
无机材料膜除了聚合物膜，无机材料膜也被广泛应用于气体膜分离。
无机材料膜通常具有更好的化学和热稳定性，适用于处理高温、高压气体。
常见的无机材料膜包括硅膜、石墨烯膜、陶瓷膜等。
这些材料具有良好的气体分离性能和长寿命。
操作条件气体膜分离的操作条件对分离效果有重要影响。
压力压力是气体膜分离中重要的操作参数。
增加进料气体的压力可以增加分离效果，因为压力差会促进气体分子渗透膜的速率。
温度温度对气体分子的扩散速率有重要影响。
一般来说，提高温度可以促进气体分子在膜上的扩散和渗透，从而增强分离效果。
但是，过高的温度可能导致膜材料的性能衰减。
膜面积膜面积也对气体膜分离的效果有影响。
增加膜面积可以增加分离效率和处理能力。
可以通过增加膜片数量或增大膜的尺寸来增加膜面积。
应用领域气体膜分离技术具有广泛的应用领域。
气体纯化气体膜分离可以用于气体纯化过程，将混合气体中的杂质气体分离出来，得到纯净的气体。
例如，将混合气体中的二氧化碳分离出来，可以得到高纯度的氮气。
这在工业和实验室中都有广泛应用。
气体分离气体分离是气体膜分离的主要应用之一。
通过调整操作条件和膜材料的选择，可以实现对不同气体组分的分离。
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7.6 气体膜分离技术应用
自1980年来,利用聚合物致密膜分离工业气体的方法 急剧增长,广泛用于膜法提氢; 膜法富氧、富氮;有机蒸气 回收;天然气脱湿、提氢、脱二氧化碳和脱硫化氢等。 (1)、氢气的回收 、 膜法进行气体的分离最早用于氢气的回收。典型的 例子是从合成氨弛放气中回收氢气。在合成氨生产过程 中每天将有大量氢气的高压段被混在弛放气中白白地烧 掉,如果不加以回收,将会造成很大的浪费。
④ 温度 温度对气体在高分子膜中的溶解度与扩散系 数均有影响,一般说来温度升高,溶解度减小,而扩散 系数增大。但比较而言,温度对扩散系数的影响更 大,所以,渗透 通量随温度的升高而增大。
7.5 气体膜分离流程及设备
气体膜分离流程可分为单级的、多级的。当过Байду номын сангаас的分 离系数不高，原料气的浓度低或要求产品较纯时,单级膜分 离不能满足工艺要求,因此,采用多级膜分离,即将若干膜器串 联使用,组成级联。常用的气体膜分离级联有以下三种类型。 (1)、简单级联 简单级联流程见下图,每一级的渗透气作 、 为下一级的进料气,每级分别排出渗余气，物料在级间无循 环，进料气量逐级下降，末级的渗透气是级联的产品。
如图所示为美国Monsanto公 司建成的合成氨弛放气回收氢 气的典型流程。合成氨弛放气 首先进入水清洗塔除去或回收 其中夹带的氨气,从而避免氨对 膜性能的影响。经过预处理的 气体进入第一组渗透器,透过膜 的气体作为高压氢气回收,渗余 气流经第二组渗透器中,渗透气 体作为低压氢气回收。渗余气 体中氢气含量较少,作为废气燃 烧,两段回收的氢气循环使用。
图为膜法制备城市煤气的工艺流程图。液化石油气或石脑油在热交换器 中加热到300~400℃,通人脱硫塔,在镍-钼催化剂的作用下,含硫化合物反应生 成H2S,用ZnO吸附 H2O。脱硫后的气体在管道内与水蒸气混合,在加热炉中加 热到550℃,进入甲烷转化器合成甲烷。合成天然气经热交换器降温到40~50℃ 进入一级膜分离器,渗余气富含甲烷,输入城市煤气管道,透过气中含有少量甲 烷,经压缩机加压进入二级膜分离器,透过气可作为加热炉或蒸汽锅炉的燃料, 剩余气体回流,重新输入一级膜分离器。
7.1 气体分离膜的主要特性参数
（1）渗透系数 ）渗透系数Q 单位： 单位：cm3(STP) cm/(cm2 s Pa) Q值一般 -8～10-14 值一般10 值一般 （2）分离系数 ）
A组分的浓度 ' [B组分的浓度]透过气 p'A/pB αA/B = A组分的浓度 ＝ ［ 组分的浓度］ pA pB ／ B 原料气
(2)、氮氧分离 、 空气中含氮79%,含氧21%。选用易于透过O2膜,在透过 侧得到富集的O2,其浓度为30%~40%;另一侧得到富集的氮 气,其浓度可达95%。膜法富氮与深冷和变压吸附法相比具 有成本低、操作灵活、安全、设备轻便、体积小等优点。 (3)、脱除合成天然气中的CO2制备城市煤气 、脱除合成天然气中的 合成天然气(液化石油气或石脑油精制气体)是城市煤 气的主要来源之一。由于天然气中的CO2的含量(摩尔分数) 为18%~21%,如此高的CO2浓度会降低合成天然气的热值和 燃 烧 速 率 。 因 此 , 需 将 合 成 天 然 气 中 的 CO2 含 量 降 至 2.5%~3.0%。
(2)、影晌渗透通量与分离系数的因素 、 ① 压力 气体膜分离的推动力为膜两侧的压 力差, 压差增大,气体中各组分的渗透通量也随之 升高。但实际操作压差受能耗、膜强度、设备制 造费用等条件的限制,需要综合考虑才能确定。 ② 膜的厚度 膜的致密活性层的厚度减小,渗 透通量增大。减小膜厚度的方法是采用复合膜,此 种膜是在非对称膜表面加一层超薄的致密活性层, 降低可致密活性层的厚度,使渗透通量提高。
(3)、高分子-无机复合或杂化材料 、高分子 无机复合或杂化材料
采用高分子-陶瓷复合膜,以耐高温高分子材料为分离 层,陶瓷膜为支撑层,既发挥了高分子膜高选择性的优势,又 解决了支撑层膜材料耐高温、抗腐蚀的问题,为实现高温、 腐蚀环境下的气体分离提供了可能性。 采用非对称膜时,它的表面致密层是起分离作用的活 性层。为了获得高渗透通量和分离因子,表皮层应该薄而 致密。实际上常常因为表皮层存在孔隙而使分离因子降 低,为了克服这个问题可以针对不同膜材料选用适当的试 剂进行处理。例如用三氟化硼处理聚砜非对称中空纤维 膜,可以减小膜表面的孔隙,提高分离因子。
按材料的性质区分,气体分离膜材料主要有高分子材 料、无机材料和高分子-无机复合材料三大类。 (1)、高分子材料 、 高分子材料分橡胶态膜材料和玻璃态膜材料两大类。 玻璃态聚合物与橡胶态聚合物相比选择性较好,其原因是 玻璃态的链迁移性比后者低得多。玻璃态膜材料的主要 缺点是它的渗透性较低,橡胶态膜材料的普遍缺点是它在 高压差下容易膨胀变形。目前,研究者们一直致力于研制 开发具有高透气性和透气选择性、耐高温、耐化学介质 的气体分离膜材 料,并取得了一定的进展。
(4)、有机废气的回收 、
在许多石油化工、制药、油漆涂料、半导体等工业中,每天有大量的 有机废气向大气中散发。废气中挥发性的有机物 (简称VOC)大多具有毒性, 部分已被列为致癌物。VOC的处理方法有两类：破坏性消除法和回收法。 膜分离法作为一种有前途的回收法比其他方法都经济可行。图为膜法与冷 凝法结合的流程。经压缩后的有机废气进入冷凝器,气体中的一部分VOC被 冷凝下来,冷凝液可以再利用,而未凝气体进入膜组件中,其中VOC在压力差的 推动下透过膜,渗余气为脱除VOC的气体,可以直接放空;透过气中富含有机 蒸气,该气体循环至压缩机的进口。由于VOC的循环,回路中VOC浓度迅速上 升,当进人冷凝器的压缩气体达到VOC的凝结浓度时,VOC又被冷凝下来。
7.4 气体膜分离原理
(1)、无孔膜分离基本理论 、
均质膜无论是无机材料还是高分子材料都具有渗透性,而 且很多是耐热、耐压和抗化学侵蚀的。其渗透机理可由溶解扩散模型来说明。首先是气体与膜接触,如图(a),接着是气体在 膜的表面溶解(称为溶解过程),如图(b);其次是因气体溶解产生 的浓度梯度使气体在膜中向前扩散(称为扩散过程);随后气体 就达到膜的另一侧,此时过程一直处于非稳定状态,如图(c),一 直到膜中气体的浓度梯度沿膜厚度方向变成直线时 达到稳定 状态,如图(d)。从这个阶段开始,气体由膜的另一侧脱附出去, 其速度恒定。所以,气体透过均质膜的过程为溶解、扩散、脱 附三个步骤。
(2)精馏级联 精馏级联
精馏级联的流程见下图,每一级的渗透
气作为下一级的进料气,将末级的渗透气作为级联的易渗 产品,其余各级的渗余气入前一级的进料气中,还将部分易 渗产品作为回流返回本级的进料气中,整个级联只有两种 产品。其优点是易渗产品的产量与纯度比简单级联有所 提高。
(3) 提馏级联 提馏级联流程见下图,每一级的渗余气 作为下一级的进料气,将末级的渗余气作为级联的产品,第 一级的渗透气作为级联的易渗产品,其余各级的渗透气并 入前一级的进料气中。整个级联只有两种产品,其优点是 难渗产品的产量与纯度比简单级联有所提高。
(5)、天然气的脱水干燥 、 天然气中的饱和水蒸气在输送过程中会凝结、冻结而 堵塞管道。膜法脱水是新近推出的技术。该分离过程设备 简单、投资低、装卸容易、操作方便,具有巨大的发展潜力。 如下图为天然气膜法脱水的工艺流程。从井口出来的天然 气经过预热、节流、集气后,进入膜法脱水工段。在此工段, 天然气首先进行前处理,目的是脱除其中的固体物质、液态 水及液态烃等,然后经换热器,气体温度升高到5~10℃,使气 体远离露点,避免水蒸气在膜内冷凝。最后,气体进入中空 纤维膜组件壳程,水蒸气在压力差推动下透过膜而进入管程, 渗透气即可以直接排放也可以经过处理后回收再利用,脱除 了水分后的干燥气体作为产品气输入天然气管道。
第七章 气体膜分离
气体膜分离是指在压力差为推动力的作用下,利用气 体混合物中各组分在气体分离膜中渗透速率的不同而使 各组分分离的过程。气体膜分离过程的关键是膜材料。 理想的气体分离膜材料应该同时具有良好的分离性能、 优良的热和化学稳定性、较高的机械强度。通常的气体 分离用膜可分为多孔质和非多孔质(均质膜)两类,它们各 由无机物和有机高分子材料制成。气体膜分离技术的特 点是：分离操作无相变化,不用加入分离剂,是一种节能的 气体分离方法。它广泛应用于提取或浓缩各种混合气体 中的有用成分,具有广阔的应用前景。
（3）溶解度系数 ）溶解度系数S
7.2 气体在膜内传递机理
（a）粘滞流 （ b）努森扩散 （c）分子筛分（d）溶解扩散
7.3 气体分离膜
常用的气体分离膜可分为多孔膜和致密膜两种,它们 可由无机膜材料和高分子膜材料组成。膜材料的类型与 结构对气体渗透有着显著影响。例如,氧在硅橡胶中的渗 透要比在玻璃态的聚丙烯腈中的渗透大几百万倍。气体 分离用膜材料的选择需要同时兼顾其渗透性与选择性。
③ 膜材质 气体分离用膜多采用高分子材料制成,气体 通过高分子膜的渗透程度取决于高分子是“橡胶态” 还是“玻璃态”。橡胶态聚合物具有高度的链迁移性 和对透过物溶解的快速响应性。气体与橡胶之间形成 溶解平衡的过程,在时间上要比扩散过程快得多。因此, 橡胶态膜比玻璃态膜渗透性能好,如氧在硅橡胶中的渗 透性要比在玻璃态的聚丙烯腈中大几百万倍。但其普 遍缺点是它在高压差下容易变形膨胀;而玻璃态膜的选 择性较好。气体分离用高分子膜的选定通常是在选择 性与渗透性之间取"折中"的方法,这样既可提高渗透通 量又可增大分离系数。
(2)、无机材料 、 无机膜的主要优点有：物理、化学和机械稳 定性好,耐有机溶剂、氯化物和强酸、强碱溶液, 并且不被微生物降解;操作简单、迅速、便宜。 受目前工艺水平的限制,无机膜的缺点为：制 造成本相对较高,大约是相同膜面积高分子膜的10 倍;质地脆,需要特殊的形状和支撑系统;制造大面 积稳 定的且具有良好性能的膜比较困难;膜组件 的安装、密封(尤其是在高温下)比较困难;表面活 性较高。